多重打击模型：

来自IL-10缺陷小鼠结肠炎的经验

(InflammBowelDis;21:–)

作者

LydiaM.Keubler,PhD,ManuelaBuettner,Dr.rer.net,ChristineH?ger,Dr.rer.net,andAndréBleich,PhD

摘要

复杂的机制连成一串触发炎症性肠病的发生发展。目前的证据表明基因易感性（多态性）、环境因素和宿主菌群的相互作用导致了粘膜免疫系统的失调。在过去的几十年里，IL-10缺陷小鼠是模拟结肠炎多因素特性的杰出模型。在IL-10缺陷的小鼠作为炎症性肠病的多重打击模型中，本文将详细的回顾基因因素、免疫因素，并重点总结和讨论菌群对于肠炎发生发展的作用。

关键词

结肠炎、疾病易感性、IBD、IL-10缺陷小鼠、菌群

引言

肠道内稳态依赖于宿主的保护性免疫和菌群之间的良好调节互作，这一互作创造了肠道环境。肠道内稳态的紊乱可导致肠道紊乱，比如：炎症性肠病（IBD）。IBD是一个肠道的慢性炎症性疾病，包括：克罗恩病（CD）和溃疡结肠炎。流行病学研究表明IBD影响了超过3.6百万人，并且最近几年这一数据正在增加。IBD的临床症状包括：主要的腹泻、腹部疼痛和直肠出血。然而，频繁的肠外临床表现通常会影响皮肤、关节、眼睛、骨头和肝胆途径。IBD的病理学依旧未知，虽然目前的认知是基因造成了对肠道正常菌群的异常粘膜免疫系统反应导致炎症。然而，虽然基因易感性好像是造成IBD发展的根源，但是基因因素好像仅仅只能解释一部分的疾病结果。至今，已经鉴定了总的个易感位点，即使是这个巨大的位点量也仅仅被认为只能解释一小部分的疾病风险差异，这表明他因素对IBD的发病也贡献巨大。这些因素可能包括固有的、适应的和环境的机制，这些对IBD的发展和过程影响巨大，但还有待确定。最近，对IBD发展复杂性的研究主要集中在宿主菌群的存在和组成对疾病的贡献。在这种情况下，IBD动物模型是一个有价值的工具，去系统的确定和分析这个复杂的多因素疾病发展的关键因素。

IL-10缺陷IBD小鼠模型

一个被广泛用于分析IBD病原学的基因工程模式是IL-10缺陷小鼠，这一小鼠在年由Kühnetal开发出来。使用靶标突变打乱IL-10基因生产IBD小鼠，用终止密码子和neo表达盒替换外显子1的个碱基对片段，并在外显子3中引入终止密码子（Il10tm1Cgn,IL10-/-）。该突变小鼠断奶后肠道炎症的自发发生可能通过重组IL-10治疗得到逆转。IL-10缺陷小鼠的结肠炎组织学特性和人类的IBD相识。详细的说，不连续的和透壁的炎症损伤的特点是炎症细胞浸润进入固有层、粘膜下层、上皮增生、黏蛋白竭耗、隐窝脓肿、溃疡和肠壁增厚。在断奶后突变小鼠结肠炎的快速发展是由于IL-10在肠道稳态中是关键调节因子。

IL-10缺陷的机制

IL-10是保持肠道稳态必要的免疫调节因子，大量的细胞比如：巨噬细胞、树突状细胞和T细胞可以分泌IL-10。IL-10抑制了Th1/Th17细胞和NK细胞以及巨噬细胞的效应功能，因此调节了细胞免疫反应。随后，在IL-10缺陷的小鼠上的结肠炎来自于异常的CD4+Th1-likeT细胞反应和促炎因子IL-12、IL-17和IFNγ的过度分泌。虽然刚开始认为是一个纯粹的Th1调节的炎症，Th17细胞后来被证实参与了炎症免疫反应。IL-12被认为对结肠炎诱导起关键作用，当小鼠缺乏IL-10和IL-12p40不会出现肠道病变，用针对IL-12p40亚基的单克隆抗体治疗IL-10缺陷小鼠的结肠炎可减少肠道炎症。然而，研究发现IL-12p40亚基也可以聚集形成细胞因子IL-23，这促进了关于IL-12和IL-23对炎症发展的重新评估。几个研究表明IL-10缺陷小鼠T细胞调节的结肠炎依赖于IL-23通过IL-17和IL-6造成的促炎效果，强调了一个事实，多个机制导致结肠炎的发展。在这种情况下，IL-10缺陷小鼠的结肠炎和肠道炎症最近已经被证明有赖于IL-13Rα2调节的IL-13活性钝化，强调了IL-13和他的诱变受体在IL-10缺陷小鼠Th1/Th17调节炎症中的调节作用。有趣的是，最近一个研究发现IL-10和IL-12/23-seesaw关键的平衡主要由PI3K亚基pδ控制，这一机制控制着抗原提呈细胞和T细胞之间的平衡状态，pδ缺陷小鼠已经被证实倾向于自发的产生Th1和Th17调节的结肠炎。因此，IL-10缺乏导致过度炎症的一个机制可能是pδ的诱导缺失。

IL-10在肠道固有

和适应性免疫中的调节作用

对肠道菌群抗原的免疫耐受主要通过调节T细胞产生的IL-10和TGFβ进行调节。研究发现IL-10缺陷小鼠和粪肠球菌的单一联系导致了慢性结肠炎，NF-κB活性的持续激活和TLR2及随后的促炎基因在肠道上皮细胞中的表达。因此，IL-10好像起了一个巨大的作用在调节菌群引导的上皮NF-κB的活性。大量的研究已经证明IL-10在固有和调节免疫机制中起作用，抑制肠道中的炎症反应。IL-10控制肠道炎症的详细综述见于Kole和Maloy。简单的来说，IL-10影响了固有免疫反应可能主要归因于巨噬细胞和树突状细胞。在肠道，巨噬细胞和树突状细胞是产生IL-10的主要来源，它的产生是通过TLR依赖和TLR非依赖途径诱导的。IL-10已经被证实会干扰树突状细胞的成熟和阻断成熟树突细胞的功能。并且，IL-10终止了巨噬细胞的活性和扩增，抑制了巨噬细胞的自噬，因此使巨噬细胞和树突状细胞处于无活性的表现，这是肠道平衡的状态特点。除此之外，IL-10好像也有对肠道上皮细胞（IEC）的保护效应，蛋白组分析IL-10缺陷小鼠来源的IEC发现其在内质网（ER）应激、能量代谢和细胞凋亡的反应中存在缺陷。更进一步，来自IL-10缺陷小鼠的IEC和来自IBD病人的IEC都表现出葡萄糖调节ER应激蛋白78的表达水平增加，IL-10被证明可以阻断炎症诱导的ER应激反应机制。然而，IL-10最重要的影响可能是对调节免疫反应的影响，尤其在控制T细胞扩增和T细胞调节的细胞因子产生。通过IL-10产生的调节T（Treg）细胞亚集可保持小肠和结肠免疫耐受这一观点最近已经进行了很好的回顾。IL-10可以通过直接的促进Treg细胞的维持、扩增和功能或通过间接的剥离自然T细胞的合适刺激物发挥它在T细胞中的影响。当小鼠的Treg细胞的IL-10被特异性删除会自发的出现结肠炎，Treg已经被认为是IL-10维持肠道内稳态的关键节点。然而，有趣的是，最近的研究表明在肠道稳态中巨噬细胞起了一个中心的作用，在阻止结肠炎的机制中，IL-10受体信号被证明可以驱动巨噬细胞去表达稳态耐受性功能。值得注意的是，在肠道中IL-10保护性的功能好像依赖于菌群的定制。在肠道，CD4+Foxp3+IL-10产生细胞的分化可以通过共生菌群脆弱拟杆菌的产物进行诱导。最近，发现可通过固有的梭菌属诱导IL-10产生和随后促进结肠Treg细胞。因此，通过肠道菌群诱导IL-10已经被认为是一个重要的机制，通过这一机制，肠道菌群建立了一种互利互惠的共生关系。总的来说，IL-10是一个维持肠道稳态的重要因素。

因此IBD的IL-10缺陷小鼠模型已经被广泛的使用，作为一个有力的工具去解析复杂的疾病机制，然而和人类状态相同，IL-10缺陷小鼠的疾病发展有赖于基因和环境的因素，特别是菌群的组成。

基因和环境因素调节疾病的易感性

在IL-10缺陷的小鼠中，M?hler和Leiter在10年前阐明了基因和环境因素决定了结肠炎发展的过程。在那以后，在IL-10缺陷的小鼠中进行了大量的聚焦于这些因素对疾病发展的不同贡献和相互作用的研究。这里将回顾这些相关的实验研究，尤其聚焦于菌群对结肠炎发展的作用。

在IL-10缺陷小鼠中基因背景

对结肠炎发展的贡献

早期，基因背景决定了IL-10缺陷小鼠的易感性和严重性已经被证实。几个近交系小鼠品系对疾病的发展高度易感（如：C3H/HeJBir和/SvEv），然而其他品系是相对抗拒的（如：C57BL/6J和C57BL/10）表明遗传背景修饰的重要性。通过F2分离和回交群体分析C3H/HeJBir（C3Bir-IL10-/-）易感和C57BL/6J（B6）的抵抗。识别了结肠炎定量特性位点（QTL）并指定为Cdcs1-10（Cdcs是指细胞因子缺陷诱导的结肠炎易感性）。IL-10模型表明一旦易感基因从主要的抗性位点分离出来，即使是抵抗基因背景对易感基因也有帮助。除了基因背景对IBD发生发展的贡献，在早期已经证明，肠道菌群的存在和组成也决定了疾病的结果。

在IL-10缺陷小鼠模型中，

菌群对结肠炎发生发展的贡献

早在年，Sellonetal证明定居于肠道的菌群是IL-10缺陷小鼠发生自发性结肠炎的必要条件，在无菌动物中没有观察到结肠炎的发生发展。另外，当成年和新生IL-10缺陷的无菌小鼠定植菌群后，他们的炎症反应是相似的，表明缺乏IL-10导致了对菌群抗原的免疫耐受的缺失，这与微生物定植发生的时间无关。更进一步，很早就证实了，在几个IBD的小鼠模型中，抗生素处理可能会阻止或钝化结肠炎的发展。对新生的IL-10缺陷小鼠使用新霉素/灭滴灵或环丙沙星会阻止小鼠结肠炎的发生，直到第12周，表明早期正常肠道菌群的改变可能会影响结肠炎的进展。在IL-10缺陷小鼠的结肠不同截断，选择使用需氧或厌氧谱的抗生素有不同的治疗效果，表明在不同区域，需氧和厌氧菌调节IL-10缺陷小鼠结肠炎的能力不同。结肠炎的发展涉及TLR诱导的NF-κB活化，这大多来自粘膜免疫细胞表明肠道免疫细胞可感应菌群。这一机制对IL-10缺陷小鼠的炎症发展是必要的。更进一步，在IL-10缺陷小鼠的自发性结肠炎需要MyD88信号，IL-10-/-MyD88-/-双敲除小鼠不会发展结肠炎。有趣的是，在IL-10缺陷小鼠中，来自菌群的免疫刺激DNA序列缓解了结肠的炎症，表明这些固有免疫反应的潜在激活物可能在肠道中有一个生理抗炎作用。另外，当菌群的存在不需要的时候，通过诱导抗原独立的耐受，菌群DNA的CpG序列已近被证实可以在IBD小鼠模型中发挥一个保护效应。然而，饲养在无菌或无特定病原条件下的IL-10缺陷小鼠中，特定菌群的引入是起保护作用还是促炎作用取决于菌群的种类。简单的来说，乳酸菌和双歧杆菌属会钝化结肠炎，反之，在大量的研究中，粪肠球菌和幽门螺杆菌发挥促炎效应，表1总结了菌群对IL-10缺陷小鼠的影响。

表1：菌群对IL-10缺陷小鼠的影响

然而，是否是一个特定的单一的病原体诱导了炎症反应，是否混乱的肠道菌群是导致炎症的决定性因素或是否其他的因素必须作用一致依旧存在争议。因此，通常来说，在IL-10缺陷的小鼠中，菌群对结肠炎发展的贡献可以分成特定制剂（病原）的触发效应和关于肠道菌群的普通菌群组成菌群失衡效应（生态失调）。

总结：IL-10缺陷小鼠可作为一个多重打击模型，引起结肠炎的触发因素启动了炎症过程，品系特异的基因因素决定了粘膜免疫的失调，菌群修饰了易感性和响应。

示意图：多重打击

附1：本文翻译自“AMultihitModel:ColitisLessonsfromtheInterleukin-10–deficientMouse”。

参考文献

1.Keubler,L.M.;Buettner,M.;H?ger,C.;Bleich,A.,AMultihitModel:ColitisLessonsfromtheInterleukin-10-deficientMouse.Inflammatoryboweldiseases,21(8),-75.

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